一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，該方法運行于地鐵隧道內(nèi)壁上設(shè)置的匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，該方法具體包括：隧道三維空間模型的建立步驟；基于固定節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)初始化步驟；基于節(jié)點剩余能量和節(jié)點位置的分簇形成步驟；基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS、節(jié)點剩余能量、節(jié)點位置的簇間多跳路由建立步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用基于節(jié)點剩余能量和簇半徑的簇頭競爭算法以完成非均勻分簇，綜合考慮簇結(jié)構(gòu)、節(jié)點剩余能量和鏈路誤碼率以優(yōu)化超長線狀中的多跳路徑。
【專利說明】一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)路由方法，尤其是涉及一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用中，傳感器節(jié)點的位置由監(jiān)測任務(wù)而定，它們布置于長線形隧道內(nèi)環(huán)壁。這些都直接影響了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，使其具有長線形、分布式等特點。
[0003]由麻省理工學院的Heinzelman W R等人提出的低功耗自適應(yīng)分簇路由算法LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是后續(xù)大部分分族路由算法的基礎(chǔ)。LEACH算法引入“輪”的概念，每輪包括初始化階段和穩(wěn)定傳輸階段。在初始化階段隨機的形成簇頭，每個節(jié)點會產(chǎn)生一個O?I之間的隨機數(shù)，如果該值小于閥值T (η)，則成為簇頭。
[0004]EECS也采用“輪”機制，簇頭與匯聚節(jié)點間采用單跳通信，其重點主要放在成簇階段。EECS同時考慮簇內(nèi)距離因子和簇頭到匯聚節(jié)點的距離因子，將遠離匯聚節(jié)點的簇劃分得較小。EECS實現(xiàn)非均勻分簇，較遠的簇頭具有較小的分簇結(jié)構(gòu)，更多的能量用于和匯聚節(jié)點間的長距離單跳通信。通過調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點能耗和簇頭能耗之間的平衡。
[0005]但現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)路協(xié)議都不適用于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用。由于隧道長線形結(jié)構(gòu)和應(yīng)用需求，隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)用呈現(xiàn)能量異構(gòu)的特性，且需要一定的QoS保障。為了克服前述并且其它缺陷，需要一種適用于超長線狀地鐵隧道的路由協(xié)議。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，該方法運行于地鐵隧道內(nèi)壁上設(shè)置的匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，該方法具體包括:
[0009]隧道三維空間模型的建立步驟；
[0010]基于固定節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)初始化步驟；
[0011]基于節(jié)點剩余能量和節(jié)點位置的分簇形成步驟；
[0012]基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS、節(jié)點剩余能量、節(jié)點位置的簇間多跳路由建立步驟。
[0013]所述的隧道三維空間模型的建立步驟具體為:
[0014]把一定長度的三維柱狀隧道攤開成二維矩形平面，將三維空間坐標系轉(zhuǎn)換成二維空間坐標系，計算利用隧道二維距離公式來計算兩點間的三維空間距離:
- — Γ^2*


\y.—y I
(x,-Xj)2 + 2i?sin ~ -yj ^ nR
IV J_
[0015]dn =*< _________—
JT ^ Z ^
/ 、2 μ.y^yj』
^ (X1-Xj) + 2Rsm π>nR
J L \ /J
[0016]式中，Clij為節(jié)點IIi與IIj之間的三維空間距離，(Xi，Yi)為節(jié)點IIi在二維矩形平面內(nèi)的坐標，(Xj, Yj)為節(jié)點Hj在二維矩形平面內(nèi)的坐標，R為隧道半徑。
[0017]所述的網(wǎng)絡(luò)初始化步驟具體為:
[0018]匯聚節(jié)點廣播“Init_All”信息，所有傳感器節(jié)點逐級更新其鄰居節(jié)點表。
[0019]所述的傳感器節(jié)點逐級更新其鄰居節(jié)點表具體為:
[0020]a)接收到“ Init_All ”信息的傳感器節(jié)點按一定功率局部廣播“Neighbor”信息，此信息包含發(fā)射節(jié)點的ID ；
[0021]b)其余任何節(jié)點接收到“Neighbor”信息時，將該信息中包含的ID列入本節(jié)點的鄰居節(jié)點表內(nèi)，同時局部廣播“Neighbor”信息；
[0022]c)直至所有傳感器節(jié)點均廣播過一次“Neighbor”信息。
[0023]所述的鄰居節(jié)點表保存的信息包括:本節(jié)點ID、節(jié)點剩余能量和所有鄰居節(jié)點信肩、O
[0024]所述的分簇形成步驟具體為:
[0025]I)選取候選簇頭:根據(jù)所有傳感器節(jié)點剩余能量及設(shè)定的候選簇頭比例系數(shù)，選取若干個高剩余能量的節(jié)點作為候選簇頭節(jié)點，并對每個候選簇頭節(jié)點設(shè)置一個簇半徑，將非候選簇頭節(jié)點稱為普通節(jié)點；
[0026]2)選取簇頭:
[0027]201)所有候選簇頭節(jié)點根據(jù)其鄰居節(jié)點表和簇半徑，計算每個候選簇頭節(jié)點的DTi,標記最小DTi對應(yīng)的候選簇頭節(jié)點為簇頭,把簇半徑范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點標記為候選簇內(nèi)節(jié)點；
[0028]所述的DTi指候選簇頭節(jié)點與其簇半徑范圍內(nèi)所有傳感器節(jié)點的距離平方和的平均值；
[0029]202)剩余候選簇頭計算DTi,并確定簇頭和候選簇內(nèi)節(jié)點；
[0030]203)直到計算到設(shè)定簇頭數(shù)為止；
[0031]3)成簇:簇頭在其簇半徑內(nèi)廣播本節(jié)點的ID，接收到ID的傳感器節(jié)點按先后順序記錄ID，并從中選擇信號強度最大的ID，向此ID對應(yīng)的簇頭發(fā)送請求成為簇內(nèi)成員信息和自己的ID ；
[0032]未收到簇頭ID的傳感器節(jié)點自動變?yōu)榇仡^。
[0033]所述的簇間多跳路由建立步驟具體為:
[0034]某個簇頭讀取鄰居節(jié)點表,獲取自身節(jié)點當前剩余能量和鄰居節(jié)點信息；計算當前簇頭與鄰居節(jié)點表中的所有鄰居簇頭間的代價函數(shù)；選取代價函數(shù)最小的鄰居簇頭作為當前簇頭的中繼節(jié)點。
[0035]所述的代價函數(shù)為某簇頭i與其某一鄰居簇頭j間的關(guān)系函數(shù)，具體計算如下:

【權(quán)利要求】
1.一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，該方法運行于地鐵隧道內(nèi)壁上設(shè)置的匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，該方法具體包括: 隧道三維空間模型的建立步驟； 基于固定節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)初始化步驟； 基于節(jié)點剩余能量和節(jié)點位置的分簇形成步驟； 基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS、節(jié)點剩余能量、節(jié)點位置的簇間多跳路由建立步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的隧道三維空間模型的建立步驟具體為: 把一定長度的三維柱狀隧道攤開成二維矩形平面，將三維空間坐標系轉(zhuǎn)換成二維空間坐標系，計算利用隧道二維距離公式來計算兩點間的三維空間距離:(Xf-Xi)1+ IRsin Ι?-^1 I ,卜卜?ri?.1.1 2R JJ
dv=\ ~^——-——;-
Γ { k-v.nl ,,
(X1 -Xj)1 + 2i?sin π-?一^^ ^yl.1 Lk Al 式中，Clij為節(jié)點Ili與Ilj之間的三維空間距離，(Xi，Yi)為節(jié)點Ili在二維矩形平面內(nèi)的坐標，(Xj, Yj)為節(jié)點Iij在二維矩形平面內(nèi)的坐標，R為隧道半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的網(wǎng)絡(luò)初始化步驟具體為: 匯聚節(jié)點廣播“ Init_All ”信息，所有傳感器節(jié)點逐級更新其鄰居節(jié)點表。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的傳感器節(jié)點逐級更新其鄰居節(jié)點表具體為: a)接收到“Init_All”信息的傳感器節(jié)點按一定功率局部廣播“Neighbor”信息，此信息包含發(fā)射節(jié)點的ID ； b)其余任何節(jié)點接收到“Neighbor”信息時，將該信息中包含的ID列入本節(jié)點的鄰居節(jié)點表內(nèi)，同時局部廣播“Neighbor”信息； c)直至所有傳感器節(jié)點均廣播過一次“Neighbor”信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的鄰居節(jié)點表保存的信息包括:本節(jié)點ID、節(jié)點剩余能量和所有鄰居節(jié)點信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的分簇形成步驟具體為: 1)選取候選簇頭:根據(jù)所有傳感器節(jié)點剩余能量及設(shè)定的候選簇頭比例系數(shù)，選取若干個高剩余能量的節(jié)點作為候選簇頭節(jié)點，并對每個候選簇頭節(jié)點設(shè)置一個簇半徑，將非候選簇頭節(jié)點稱為普通節(jié)點； 2)選取簇頭: 201)所有候選簇頭節(jié)點根據(jù)其鄰居節(jié)點表和簇半徑,計算每個候選簇頭節(jié)點的DTi,標記最小DTi對應(yīng)的候選簇頭節(jié)點為簇頭,把簇半徑范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點標記為候選簇內(nèi)節(jié)點；所述的DTi指候選簇頭節(jié)點與其簇半徑范圍內(nèi)所有傳感器節(jié)點的距離平方和的平均值； 202)剩余候選簇頭計算DTi,并確定簇頭和候選簇內(nèi)節(jié)點； 203)直到計算到設(shè)定簇頭數(shù)為止； 3)成簇:簇頭在其簇半徑內(nèi)廣播本節(jié)點的ID,接收到ID的傳感器節(jié)點按先后順序記錄ID,并從中選擇信號強度最大的ID，向此ID對應(yīng)的簇頭發(fā)送請求成為簇內(nèi)成員信息和自己的ID ； 未收到簇頭ID的傳感器節(jié)點自動變?yōu)榇仡^。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的簇間多跳路由建立步驟具體為: 某個簇頭讀取鄰居節(jié)點表，獲取自身節(jié)點當前剩余能量和鄰居節(jié)點信息；計算當前簇頭與鄰居節(jié)點表中的所有鄰居簇頭間的代價函數(shù)；選取代價函數(shù)最小的鄰居簇頭作為當前簇頭的中繼節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種適用于地鐵隧道的非均勻分簇路由方法，其特征在于，所述的代價函數(shù)為某簇頭i與其某一鄰居簇頭j間的關(guān)系函數(shù)，具體計算如下:
式中，En(Hi)為簇頭i的η個鄰居簇頭的平均剩余能量，E(Hj)為鄰居簇頭j的剩余能量，Clij為簇頭i與鄰居簇頭j間的距離，為簇頭i與匯聚節(jié)點之間的距離，Ltl為簇頭i與鄰居簇頭j之間的鏈路誤碼率，匕、b2、b3分別為能量項、距離項和鏈路質(zhì)量項的權(quán)重系數(shù)，其值為O~I。
【文檔編號】H04W40/10GK104135751SQ201410110917
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】何斌, 李剛 申請人:同濟大學